金属间化合物基层状复合材料Ti/Al3Ti制备技术及其研究进展

新型金属间化合物基层状复合材料Ti/Al3Ti具有高强度、高模量、高刚度、低密度以及高的断裂韧性等优异性能,在航空航天、武器装备及地面军用车辆的装甲防护系统等方面有着广阔的应用前景.迄今为止,针对金属间化合物基层状复合材料Ti/Al3Ti的制备,人们发展了冷轧、热轧、脉冲电流热压、真空烧结、无真空烧结和爆炸焊接等制备技术.概述了国内外对新型轻质高性能金属间化合物基层状复合材料Ti/Al3Ti的研究现状,着重阐述了金属间化合物基层状复合材料Ti/Al3Ti制备技术的工艺原理及其特点,为Ti/Al3Ti的发展和应用提供基础.最后从不同研究方向展望了金属间化合物基层状复合材料Ti/Al3Ti未来的主要研究趋势.     

连续碳化硅纤维增强钛基(SiCf/Ti)复合材料的制备技术及界面特性研究综述

连续碳化硅纤维(SiCf)由于具有比强度、比模量高,耐磨性、热稳定性好等性能优点,常作为增强体制备SiC纤维增强钛基复合材料。与钛合金基体相比,其具有密度更低、强度更高、疲劳蠕变性能大幅提升等优点,但横向性能却明显下降。因此,该类材料常被设计制作成单向增强性部件,广泛应用在航空航天等领域,如发动机的传动轴、整体叶环、盘类及风扇叶片等多种复合材料的结构件。碳化硅纤维增强钛基复合材料的性能主要由碳化硅纤维的性能、基体性能及纤维与基体之间的结合界面性能决定。目前批量生产的SiC纤维性能较差,界面结合状态与复合材料性能之间关系的研究开展较少,还不能为钛基复合材料构件设计提供足够的数据支持。因此,近年来研究者们主要从SiCf/Ti基复合材料力学行为的研究角度出发,探究不同基体及纤维类型、复合材料制备工艺方法、界面特性及产物对SiCf/Ti基复合材料界面结合力及破坏机制的影响,获得了大量有价值的数据,以期开发出成本低、产物稳定性好、可批量生产SiCf/Ti基复合材料的制造工艺方法。目前较为成熟的碳化硅纤维有英国DERA-Sigma公司提供的Sigma系列SiCf及美国Textron公司提供的SCS系列SiCf,后者强度最高达到6 200 MPa。SiCf/Ti基复合材料的制备工艺包括金属箔-纤维-金属箔工艺(FFF)、单层带工艺(MT)、基体-涂层纤维工艺(MCT)等,制备复合材料的工艺根据零部件的用途来定,FFF适用于制备板材等大尺寸构件,MCT适用于制备叶环、轴、管、叶片等复杂结构件。界面是增强体与基体之间的纽带和桥梁,界面结构设计、界面反应控制及反应产物均影响着界面的力学特性。在SiCf/Ti基复合材料的纤维和基体之间添加过渡层能够减缓它们之间的相互扩散及化学反应,过渡层选用反应层和惰性涂层组成的双层涂层较好。界面反应产物受涂层成分、基体组织、复合和热处理工艺、环境因素等的影响,增强纤维及基体性能、优选制备工艺、控制界面反应及产物有利于提高复合材料的力学性能。本文总结了连续SiC纤维(SiCf)增强钛基复合材料的应用研究现状,详述了SiCf/Ti基复合材料的钛合金基体材料、SiCf的种类及性能,SiCf与SiCf/Ti基复合材料的制备方法,分析了SiCf/Ti基复合材料界面结构设计及反应产物,阐明了界面力学特性与复合材料性能的关系,指出国内SiCf/Ti基复合材料发展的重点应放在高性能SiC纤维的研究与开发、界面层设计及界面与性能的关系以及复合材料分析检测手段三个方面,为SiCf/Ti基复合材料的制备及其今后的实际应用提供了参考。     

SiCf/Ti复合材料的研制

概述了国外碳化硅连续纤维增强钛基复合材料的研制、性能及应用情况，并对箔压法制备SiCf/Ti复合材料的工艺及材料性能进行了研究。结果表明，本研究采用FFF法制作的SiCf/Ti复合材料能达到国外同类材料水平。此外，本研究还对SiCf/Ti复合材料各主要制作工艺进行了分析比较，认为真空等离子喷涂工艺是较有前途的。     

三元层状陶瓷Ti3AlC2的研究进展

三元层状陶瓷Ti3AlC2由于兼具金属与陶瓷的优异性能,吸引了材料工作者的广泛关注.Ti3AlC2具有较低的维氏硬度,高熔点,高弯曲强度、杨氏模量和剪切模量,优良的导电导热性,自润滑性及良好的抗氧化、耐腐蚀性.综述了近年来三元层状陶瓷Ti3AlC2的制备技术及性能的研究进展,分析了Ti3AlC2的反应机理,并展望了Ti3AlC2材料的应用前景.     

颗粒增强Ti基复合材料的特性

本文研究了采用粉末冶金工艺制备的碳化钛颗粒(TiCp)增强 Ti-Al-V 复合材料的显微组织、弹性模量、高温强度、蠕变行为及断裂特征。研究结果表明,选用合适的不连续增强相及 Ti合金基体可以获得增强相与基体结合良好、具有高比强、高比模、良好高温性能的不连续增强 Ti基复合材料。这些 Ti 基复合材料具有各向同性,可用于复杂应力状态,可通过热压、热挤压等一般热加工工艺加工成型。     

MoS2/Ti3SiC2层状复合材料的制备

采用热压烧结方法制备MoS2/Ti3SiC2(MoS2质量分数为2%)的层状复合材料.研究了不同烧结温度对烧结试样性能的影响.研究表明,在1 400℃,30 MPa压力和保温2 h条件下,可以得到致密度达99%以上的MoS2/Ti3SiC2复合材料;在Ti3SiC2中添加MoS2后,烧结温度越高维氏硬度越大;在1 400℃,烧结试样维氏硬度达6 220 MPa,高于纯Ti3SiC2材料的4 000 MPa;MoS2有良好的导电性能,使得烧结试样的电导率比较高,在1 400℃,烧结试样电导率达9.68×106 S·m-1,是纯Ti3SiC2材料的2倍.     

轧制三金属复合材料研究进展

三金属层状复合材料兼具了各金属组元的优势,能够满足多种复杂服役环境的应用需求,是现代科学技术进步的必然产物.将最为常见的轧制制备的三金属层状复合材料根据具体制备手段和最终实验效果的差异,分为了采用新型累积叠轧技术制备的类双金属颗粒增强金属基复合材料,以及利用常规轧制减薄技术制备的三金属层状复合材料.分别综述了这两大类目前主要的组合类型及其涉及的研究内容,可看出众多研究均是在最为原始的二元Al/Cu和Al/Mg复合基础上新加第三金属展开的.指出了三金属复合材料的开发是未来金属层状复合材料领域的重要研究方向,以及后续有待进一步解决的难点.最后,对三金属层状复合材料的发展前景和主要发展方向进行了展望.     

Ti基复合材料界面反应扩散的微观分析

通过SiC连续纤维增强Ti基复合材料的制备及在不同条件下的热处理试验,利用TEM,SEM,EDS及XRD分析技术研究复合材料的界面反应以及产物相的形成.研究结果表明:SiC /Ti复合材料界面发生了反应扩散,反应元素C,Ti,Si在界面反应层中出现浓度波动;界面反应产物被确认为是Ti3SiC2 ,TiC和 Ti5Si3,在靠近SiC侧出现Ti3SiC2和Ti5Si3单相区,靠近Ti基体侧为Ti5Si3单相区,中间为TiC Ti5Si3双相区;SiC/Ti复合材料界面相序列为SiC┃Ti3SiC2┃Ti5Si3┃TiC Ti5Si3┃Ti5Si3┃Ti.     

纤维增强Ti-Al金属间化合物基复合材料的发展

综述了纤维增强Ti-Al金属间化合物基复合材料的研究进展.介绍了Ti-Al金属间化合物基体的结构和性能、增强体纤维的运用、界面相容性对复合材料机械性能的影响、界面反应的动力学和热力学研究、以及目前Ti-Al金属间化合物基复合材料的最新制备技术.指出了今后纤维增强Ti-Al金属间化合物基复合材料的研究重点和发展方向.     

Ti诱导反应熔体无压浸渗法制备(W,Ti)C/Fe复合材料

研究了一种Ti诱导反应熔体无压浸渗制备复合材料的方法: 通过凝胶注模成型工艺, 以蔗糖为造孔剂制备了多孔Ti-WC陶瓷骨架预制体, 真空状态下, 在1370℃以Fe-Cr-C合金熔体无压浸渗该预制体, 经过原位反应制备了(W,Ti)C/Fe复合材料。利用SEM-EDS、 XRD对复合材料的组织结构、 元素组成及相组成进行了测试和分析。采用旋转圆盘式摩擦试验机以SiC砂浆为磨料研究了(W,Ti)C/Fe复合材料的耐磨性。结果表明: 在浸渗过程中骨架中的Ti元素的溶解析出与C元素的原位反应促进了浸渗过程的进行, 在1370℃保温1 h, 金属液即渗透整个多孔骨架, 并且在浸渗过程中仍然维持着骨架的形状, 浸渗过程中Ti-C-WC原位反应生成具有芯-壳结构的中间富Ti、 边缘富W的(W,Ti)C增强相。摩擦磨损实验结果表明, (W,Ti)C/Fe复合材料具有优异的抗磨粒磨损性能, 其耐磨性优于工业用耐磨铸铁。     

添加物对Al2O3-TiC/Ti（C,N）系陶瓷复合材料组织和性能的影响

Al2O3-TiC/Ti(C,N)系陶瓷复合材料具有广阔的应用前景,但综合性能还有待进一步改善。分析讨论了TiC/Ti(C,N)主要成分含量对组织性能的影响,综述了Cr2O3、Y2O3、ZrO2等化合物添加物和Fe、Al、Co、Ni、Mo等金属添加物对Al2O3-TiC/Ti(C,N)系陶瓷复合材料中组织和性能影响的研究结果,并比较分析了其各自的特点。     

Ti/Al2O3复合材料性能研究

本文利用放电等离子烧结技术制备了致密的Ti/Al2O3复合材料.实验结果表明,60vol%Al2O3和80vol%Al2O3的Ti/Al2O3复合材料,界面处生成少量的TiAl,使得Ti与Al2O3间的界面能大于其单个晶粒的界面能,复合材料性能随Ti含量的增加而增大;40vol%Al2O3和20vol%Al2O3的Ti/Al2O3复合材料,界面处生成脆性的Ti3Al相,使得Ti与Al2O3间的界面能小于各自晶粒的界面能,材料的性能随Ti含量的增加而降低,同时断裂的模式也发生改变,由穿晶断裂为主转变为沿晶断裂,脆性的Ti3Al相是Ti/Al2O3复合材料力学性能降低的主要原因.     

含Ti组元炭/炭复合材料微观结构和热传导/力学性能的研究

以短切炭纤维、中间相沥青和Ti粉为原料,采用模压成型、炭化、致密化、高温石墨化等一系列常规工艺,制备了含Ti组元的炭/炭复合材料.考察了Ti组元的添加对复合材料传导性能和微观结构的影响,结果表明:Ti组元的添加能增强复合材料界面、促进晶粒的完善和长大,提高材料的传导/力学性能.当Ti含量为7.3%时,2500℃高温石墨化后所制复合材料的面向热导率最高,为482W/(m·K);进一步3000℃高温处理后材料面向热导率达556W/(m·K).同时本文探讨了Ti组元的催化石墨化机理.     

SiC/Ti基复合材料界面反应的研究现状及发展趋势

综述了SiC连续纤维增强Ti基复合材料界面反应现状和存在的问题,介绍了本课题组在TMC界面反应研究上的最新进展,预测了TMC界面反应研究的趋势     

放电等离子合成Ti3AlC2-TiB2复合材料的相形成研究

采用放电等离子烧结工艺,以Ti,Al,B4C,Tic为原料制备Ti3AlC2/TiB2复合材料.通过X射线衍射分析了从600℃到1 300℃Ti3AlC2/TiB2系统反应过程的相形成规律.用扫描电镜观察了不同温度下试样的显微组织演变.结果表明,在900℃之前,主要的反应是Ti和AJ反应生成Ti-A1金属问化合物,900℃之后,Ti-Al金属问化合物与TiC逐渐生成Ti3AlC2和TiB2相,形成致密Ti3AlC2/TiB2复合材料.     

组分对Ti3SiC2/Cu复合材料性能的影响

用热压法制备出Ti3SiC2/Cu复合材料,对复合材料的密度、弯曲强度和电阻率进行测试,并研究了组分对材料性能影响.研究结果表明,在复合材料中Ti3SiC2体积分数为50％～70％的实验范围内,不同组分的复合材料具有不同的最佳烧结温度,烧结温度过高时会对材料性能产生不利影响.相同工艺参数下,随着铜含量的增加,复合材料的弯曲强度升高、电阻率降低.提高致密度可在提高复合材料抗弯强度的同时降低材料的电阻率.     

连续SiC纤维增强Ti-Al系金属间化合物基复合材料的制备和界面行为

简要叙述了几种主要的Ti-Al系金属间化合物Ti_3Al、TiAl和Al_3Ti的发展状况、性能优缺点以及应用。综述了几种增韧金属间化合物的纤维,对比其他纤维的性能发现连续的SiC纤维具有良好的应用前景。概括了两种连续SiC纤维的不同制备方法,即先驱体转化法和物理气相沉积法,两种不同方法分别得到了束丝SiC纤维和单丝SiC(W或C芯)纤维,并对两种纤维的性能进行了概括。对连续SiC纤维增强Ti-Al系金属间化合物基复合材料的制备方法进行了分析,综述了SiC纤维增强Ti-Al系金属间化合物基复合材料制备过程中纤维与基体的界面反应以及界面性能的改善方法;提出了连续SiC纤维增强Ti-Al系金属间化合物基复合材料发展的方向。     

粉末冶金法制备Ti/HA生物复合材料的体内生物活性

采用粉末冶金法制备了Ti/HA复合材料,对其体内生物活性进行了研究。植入早期,纯Ti种植体周围有一层纤维组织形成,纤维膜随着种植时间的延长逐渐消失,并伴随有新骨形成,植入6个月后,纯Ti与周围骨组织之间形成典型的骨接触界面。含钛量为30％的复合材料周围在植入早期有很薄一层新骨形成,种植体与周围骨组织之间存在很大的空隙,含钛量为50％和70％的复合材料周围则有大量的新骨形成,植入6个月后三种复合材料均与周围骨组织之间形成了牢固的骨性结合界面。可见,三种Ti/HA复合材料均具有良好的生物活性。但含钛量为30％的复合材料成骨速度明显低于另两种复合材料。三种Ti/HA复合材料的生物活性均大于纯Ti。     

硅基Bi4Ti3O12薄膜的C-V特性研究

Bi4 Ti3O12是典型的层状钙钛矿结构铁电材料,具有优良的压电、铁电、热释电和电光等性能,可广泛应用于铁电存储器、压电和电光等器件.本文在硅衬底上利用溶胶凝胶法制备出Bi4 Ti3O12铁电薄膜,并且对其性能进行了研究.测量不同退火温度下得到的Ag/BTO/p-Si结构的C-V曲线,结果表明Bi4 Ti3O12薄膜在合适的制备工艺下可望实现极化型存储.     

Ti/Al_3Ti层状复合材料层间断裂性能研究

金属间化合物基层状复合材料Ti/Al_3Ti是采用Ti-6Al-4V箔和Al箔按照一定顺序叠加后,在真空环境下热压烧结成由韧性金属Ti和金属间化合物Al_3Ti组成的叠层结构。利用ENF(End-Notch-Flexure)和MMF(Mixed-Mode-Flexure)测试方法,对Ti/Al_3Ti层状复合材料的Ⅱ型及Ⅰ+Ⅱ型层间断裂能、层间断裂行为以及能量释放率等方面进行了研究。结果表明,Ti/Al_3Ti层间断裂时,裂纹在复合材料界面处发生起裂,而在传播过程中发生偏转,最终导致Al_3Ti层开裂。由此可见,在实验过程中裂纹的表现形式是在Ti/Al_3Ti界面及Al_3Ti层中共同扩展;Ⅰ+Ⅱ型层间起裂能量释放率G_(Ⅰ+Ⅱ)为46 J/m~2,Ⅱ型层间起裂能量释放率G_Ⅱ为1453 J/m~2,表明Ⅱ型层间断裂比Ⅰ+Ⅱ型层间断裂更困难。